200 mm厚度GS30Mn5鋼驅動軸焊接工藝研究

劉須收，李曉煥，吳建英

（中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽471039）

200 mm厚度GS30Mn5鋼驅動軸焊接工藝研究

劉須收，李曉煥，吳建英

（中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽471039）

為了提高200 mm厚度GS30Mn5特殊材質驅動軸的焊接質量以及焊接接頭與母材的匹配度，對GS30Mn5鋼進行了埋弧焊接試驗及焊接工藝評定。評定結果顯示，焊接接頭拉伸、彎曲、沖擊、維氏硬度檢測結果及宏觀檢查均滿足EN15614－1標準要求。研究表明，選擇合適的焊接材料及焊接工藝，并嚴格控制熱輸入，可獲得良好的焊接接頭，從而達到與母材強度的良好匹配，降低焊接裂紋傾向；該試驗形成的焊接工藝指導書用于指導車間焊接生產，效果良好。

GS30Mn5鋼；焊接材料；焊接工藝評定

某公司生產的材質為GS30Mn5的驅動軸，單重95 266 kg。整根軸由5段單獨的空心軸體焊接而成，焊接坡口深度200 mm，坡口形式為加襯墊的單面U形坡口。對焊縫進行100%超聲波及滲透探傷，分別符合EN1712標準L3級和ASTM A903標準L2級要求。GS30Mn5是德國牌號，相當中國牌號30Mn2，優質結構鋼，含碳量比低碳鋼高，屬于中低含碳量。該鋼韌性較好，但是表面耐磨性不夠，往往需要表面強化處理，比如滲碳、氮化處理。表面強化處理前一般需進行調質處理，調質后具有高強度、韌性及耐磨性，靜強度及疲勞強度良好。GS30Mn5多用作小截面的重要緊固件，也可用作車架縱梁、變速箱齒輪、軸、冷鐓螺栓及較大截面的調質件及礦山機械中，中心強度要求較高的滲碳件，如起重機后車軸和軸頸等。

為保證焊接質量，對GS30Mn5鋼的焊接性進行了分析，根據碳當量[1-3]，確定了合適的預熱溫度[4-6]，并按照EN15614-1標準[7]進行焊接工藝評定，根據評定結果形成焊接規范參數，用于指導驅動軸的焊接制造。

1 試驗準備

1.1 焊接性分析

試驗母材GS30Mn5鋼的化學成分見表1，力學性能見表2。

表1GS30Mn5試驗用鋼化學成分 %

表2 GS30Mn5試驗用鋼的力學性能

國際焊接學會推薦的冷裂紋敏感指數和碳當量計算公式為

由式（1）和式（2）可知， GS30Mn5 鋼碳當量及冷裂紋敏感指數分別為0.43%～0.6%和0.33%～0.43%，大于臨界值0.40%和0.20%，具有一定的淬硬和冷裂傾向。若工藝不合理，則在焊接熱影響區可能會產生大量馬氏體，導致焊縫區脆化，增大了焊接接頭的冷裂傾向。

由于坡口深度為200 mm，屬于厚板焊接，焊接過程中會產生較大殘余應力，加上該結構拘束度大，在焊接殘余應力作用下極易產生焊接裂紋，使焊接難度增大。

1.2 焊接方法及焊接材料

本焊接試驗采用埋弧焊自動焊焊接工藝方法，具體為將焊槍及控制系統懸掛到操作機機頭上，并配合埋弧焊電源進行焊接。根據表2并結合焊縫與母材等強匹配要求，選用牌號為CHWS7和CHF113的埋弧焊絲和焊劑。焊劑按照材質證明書進行烘干處理，烘干溫度350℃，保溫120 min。焊材熔敷金屬相關力學性能見表3。

表3 焊接材料熔敷金屬力學性能

1.3 焊接坡口形式及焊接規范

根據厚板焊接特點，坡口設計如圖1所示。坡口為U形，根部間隙4 mm，鈍邊1.5 mm，根部圓弧半徑為R10，夾角20°。采用埋弧焊接，焊接順序為單面多層多道焊，焊接順序如圖2所示，焊接規范參數見表4。

圖1 焊接坡口形式

圖2 焊接順序示意圖

表4 焊接參數

2 焊接難點控制

2.1 預熱溫度的確定

由于GS30Mn5鋼的碳當量及冷裂紋敏感指數高，易產生焊接裂紋，因此焊前必須預熱。其目的是為了降低焊接接頭的冷卻速度，減少馬氏體產生的幾率，從而改善焊接接頭組織，以降低產生冷裂紋的幾率。根據預熱溫度經驗公式（T=碳當量×360 ℃）[8]可知， GS30Mn5鋼的預熱溫度為154.8～216℃，由于焊接坡口深度為200 mm，拘束度大，為保證焊接接頭不出現焊接裂紋，本次焊接試驗選擇預熱溫度為200℃。

2.2 焊后緩冷

焊后立即用石棉布包裹焊接試板，以降低焊接接頭的冷卻速度，從而減少馬氏體產生的幾率，降低冷裂紋傾向。

3 焊接工藝評定

按照EN145614－1標準制備焊接試板，并進行焊接工藝評定試驗，焊后按照EN1712的L3級和ASTM A903的L2級進行超聲波和著色探傷，探傷結果均達到了標準要求。探傷合格后對焊接試板進行整體進爐去應力退火，退火結束后對焊接試板進行破壞性試驗。

3.1 縮截面拉伸試驗

按照EN895標準制作縮截面板狀拉伸試樣，共2組試樣，分別為1-1、1-2、1-3、1-4，和2-1、2-2、2-3、2-4，每組試樣的取樣位置包含整個試板的厚度200 mm，并進行拉伸試驗，試驗結果見表5。由表5可知，焊接接頭強度與母材相匹配，且高于母材規定的最低值540 MPa，符合標準要求。

表5 焊接接頭拉伸試驗結果

3.2 導向彎曲試驗

按照EN895標準制作彎曲試樣，共4組試樣，分別為 3-1、3-2、3-3、3-4， 4-1、4-2、4-3、 4-4， 5-1、 5-2、 5-3、 5-4， 6-1、 6-2、6-3、6-4，每組試樣的取樣位置包含整個試板的厚度200 mm，并進行導向彎曲試驗，彎曲類型為側彎，彎曲角度180°，壓頭直徑40 mm，試驗結果見表6。由表6可知，焊接接頭彎曲試樣表面未出現裂紋、氣孔等缺陷，符合標準要求。

表6 導向彎曲試驗結果

3.3 夏比沖擊試驗

按照EN151614標準確定沖擊試樣的位置，共4組試樣，焊縫表面、焊縫中間厚度各1組，試樣編號分別為7、8、9，10、11和12，熱影響區表面、熱影響區中間厚度各1組，試樣編號分別為13、14、15、16、17和18，按照EN1875標準確定試樣的尺寸10 mm×10 mm×55 mm，試驗方法為擺錘沖擊試驗，試驗結果見表7。由表7可知，焊縫及熱影響區的沖擊吸收功均高于母材規定的最低值（25 J），符合標準要求。

表7 夏比沖擊試驗結果

3.4 宏觀檢查

按照EN1321標準對焊件進行宏觀檢查，未發現氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等焊接缺陷，符合標準要求。

3.5 維氏硬度試驗

按照EN1043－1標準進行硬度試驗，各硬度點之間的距離為1 mm，由于硬度點太多，位置圖上只標示主要的位置點，如圖3所示，試驗結果見表8和表9。從表8可以看出，硬度試驗結果達到標準要求（≤380HV10）。

圖3 硬度測試位置示意圖

表8 硬度檢測結果（前面）

表9 硬度檢測結果（背部）

4 產品應用情況

通過焊接工藝評定形成的焊接指導書，用于指導車間產品焊接。經過檢查，發現焊縫外觀良好，焊后探傷的一次合格率可以達到100%，焊縫外觀如圖4所示，沒有明顯的缺陷，達到預期效果。

圖4 產品焊縫外觀

5 結 論

（1）采用埋弧焊焊接中碳鋼GS30Mn5，通過選擇合適的焊接材料及合理的焊接工藝，并嚴格控制熱輸入，獲得了良好的焊接接頭，MT、PT達到標準EN1712的L3級和ASTM A903的L2級要求。

（2）按照EN15614－1標準規定，對中碳鋼GS30Mn5焊接接頭進行焊接工藝評定，其拉伸、彎曲、沖擊、硬度等試驗結果及宏觀檢查均滿足標準要求，達到預期效果。

（3）通過焊接工藝評定形成的焊接工藝指導書，用于指導車間焊接生產，效果良好。

[1]趙婷.根據碳當量計算常用低合金鋼材焊前預熱溫度[J].石化技術，2015（5）：124-125.

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Welding Technology Research of 200 mm Thickness GS30Mn5 Steel Driving Shaft

LIU Xushou,LI Xiaohuan，WU Jianying
（CITIC Heavy Industries Co.， Ltd.， Luoyang 471039， Henan， China）

In order to improve the welding quality of the 200 mm thickness GS30Mn5 special material driving shaft and the matching degree of the welded joint and base metal，the submerged arc welding test and welding procedure qualification for GS30Mn5 steel were carried out.The results indicated that the welded joint tensile，bending，impact，Vickers hardness test results and macroscopic examination all meet the requirements of EN15614 －1.According to the research，choosing the appropriate welding material and welding process and controlling the heat input strictly can obtain the good welded joint，achieve a good match with the strength of base metal and reduce the welding cracking tendency.The welding process instructor of this test was used to guide the welding production in the workshop and obtained good effect.

GS30Mn5 steel； welding material； welding procedure qualification

TG44

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.011

劉須收（1983—），男，碩士，主要從事焊接工藝評定、新材料、新產品的開發及研究工作。

2017－04－10

黃蔚莉